Evren'deki 4 Temel Kuvvet: Güçlü, Zayıf, Kütleçekim ve Elektromanyetik Kuvvetler

Evrende 4 temel kuvvet vardır. Modern fizikteki kuvvet algısı fizikçiler için temel parçacıkların etkileşimi sayesinde olur. Buna örnek olarak protonun ve nötronun pion (bir çeşit mezon) alışverişi sayesinde birbirine bağlanması verilebilir. Bu sebeple, etkileşim kelimesi kuvvet yerine daha doğru bulunmaktadır. Bu etkileşimleri güç sıralamasına sokarsak en güçlüden, en güçsüze bunlar; güçlü etkileşim, elektromanyetik etkileşim, zayıf etkileşim ve kütle çekim etkileşimidir. 

Güçlü Etkileşim

Güçlü etkileşim çekirdeği bir bütün halinde tutan etkileşimin veya kuvvetin kendisidir. Kendisinin çok güçlü olmasına karşın mesafesi oldukça kısadır (10^-15 metre kadar). Proton ile proton arasında veya proton ile nötron arasında olmaktadır. Bu ise mezon olan pion değişimine dayanmaktadır. Kuarkların bir arada olmasını ise renkli kuvvet ile açıklarız. Bu etkileşimden ise gluonlar sorumludur. Gluon değişimi protonun ve nötronun içindeki kuarkların renklerini etkiler. Bu etki pionların oluşmasına yol açar. Pionlar, protondaki veya nötrondaki kuarklar ile buluştuğunda içindeki anti-kuark bu parçacıktaki kuarkın yok oluşuna sebep olur, pionun kendi içindeki (parçacıktaki yok olan kuarktan farklı renktedir) kuark o parçacığa transfer olur ve tekrardan gluon alışverişi gerçekleşir. Bunu daha iyi anlamanız için aşağıdaki GIF yardımcı olabilir. 

Elektromanyetik Etkileşim

Elektromanyetik etkileşim lise eğitiminde gösterildiği gibi yüklü parçacıklar arasında gerçekleşir. Bunlar + ve – yüklerdir. Aynı yükler birbirlerini iterler, zıt yükler ise birbirlerini çekerler. Bu yüklerin etkileşimi ise foton değişimi ile gerçekleşir. Güçlü etkileşimin mesafesine karşın elektromanyetik etkileşimin mesafesi foton sebebiyle sınırsızdır. Michael Faraday’ın elektromanyetizma çalışmalarının James Clerk Maxwell tarafından matematiğe dökülmesiyle ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğu ve elektromanyetik dalgaların ışık hızında ilerlediği keşfedilmiştir. Hendrik Lorentz ise elektromanyetik alan içindeki parçacığa etkiyen kuvveti hesaplamıştır ve birtakım yasalar ortaya koymuştur. 

$F=qE+qv\times B$

Ancak bu yasalar elektromanyetik kuvvetin nasıl çalıştığını göstermemektedir. 20. yüzyılda, atomun yapısının anlaşılmaya başlandığı yıllarda, bu kuvvetin hem atom içinde (çekirdeğin elektronu çekmesi) hem de atomlar arasında (İyonik bağ ve Kovalent bağ) olduğunu keşfettiler. Bu etkiyi yaratan şeyin foton olduğunu bu şekilde anladılar. 

Ayrıca ek bilgi olarak, zamanın göreliliği sebebiyle birbirinden bağımsız olaylar gözlemciler arasında farklı zamanlarda oluşabilir. Bu fenomeni mümkün kılan durum ise etkileşimlerinin imkanı olmayan iki durumun birbirlerini etkileyememesidir. Başka bir deyişle, nedensellik bozulmamaktadır ve bu fenomen sadece ışık hızı mesafesini geçen olaylar arasında gerçek olabilmektedir. Foton etkileşimi (elektromanyetik etkileşim) veya kütleçekim olması durumunda bu fenomen mümkün olmamaktadır.

Zayıf Etkileşim

Radyoaktif bozunmalardan olan beta bozunumu gibi durumlardan sorumludur. Kısacası birçok parçacığın ve birtakım atom çekirdeğinin kararsızlığından sorumludur. Etki mesafesi epey kısadır (10^-18 metre kadar). Bu etkileşimin prensibi nötronun protona dönüşümüdür. Beta emisyonuyla nötronun protona bozunumu gerçekleşir, elektron ve anti elektron nötrinosu meydana gelir. Proton 2 yukarı (up) ve bir aşağı (down) kuarktan meydana gelmektedir. Zayıf etkileşim protondaki bir yukarı (up) kuarkı, aşağı (down) kuarka çevirmektedir. Bunun gibi kuarkların birbirine dönüşümünden sorumlu olan parçacıklar W ve Z bozonlarıdır. Bu etkileşimin mesafesinin kısa oluşu, bu bozonların kütlelerinin yaklaşık 80-91GeV gibi yüksek bir değerde olmasıyla açıklanmaktadır. Bu kuvvet veya etkileşim kuarklar haricinde leptonları da kapsamaktadır. Bu durumu etkileşimlerin oluşumda açıklayacağız.

Kütleçekim Etkileşimi

Kütleçekiminin etkileşim parçacığı bilinmemektedir. Graviton olabileceği tahmin edilmektedir. LIGO deneyinden sonra bu etkileşimin ışık hızında gittiğini ve etkileşim mesafesinin sınırsız olduğunu öğrendik. Bizim gezegende durmamızı, gezegenlerin yörüngelerde olmasını sağlayan ve sağduyumuzla en rahat algılayabildiğimiz kuvvettir. Isaac Newton’ın ortaya atmasıyla ve Albert Einstein ile Newton’ın hatalarının giderildiği bir fenomendir. Dediğimiz gibi Einstein’ın genel göreliliğini doğrulayan LIGO deneyi sayesinde bazı özelliklerinden eminiz. Genel görelilik, bu etkileşimin uzay zamanı büktüğünü söylemektedir. Bunun ispatı da 29 Mayıs 1919 tarihindeki güneş tutulması gözlemi ile yapıldı. Güneşten gelen ışınlar Newton fiziğinin aksine 1.62 saniye açı ile Dünya’ya ulaştı. Kısacası kütleçekim, ışığı saptırıyordu. Daha sonra Einstein halkalarının keşfi de bu durumu kanıtlamış oldu. Ancak, Einstein’ın açıklayamadığı bir şey vardı; o da kuantum fiziğine göre bu kuvvetin taşıyıcı bir parçacığı olmasıydı. Aradan geçen uzun yıllara rağmen o parçacığı henüz gözlemleyemedik. Bu sebeple Feynman diyagramları biçiminde göstermemiz kesinlik açısından doğru olmaz.

Bu Etkileşimlerin Oluşumu 

Evrenin genişlemesi sebebiyle, bir başlangıcının da olması gerektiği tezinden yola çıkan fizikçiler; tüm bu etkileşimlerin veya kuvvetlerin evrenin ilk ve çok sıcak, yoğun olduğu evrelerde tek bir biçimde olduğunu tahmin etmektedirler. Bu sebeple, teorik fizikçiler bu etkileşimlerin hepsini birleştirecek kuramlar üzerine çalışılmaktadırlar. Elektromanyetik etkileşim ile zayıf etkileşim yüksek enerjilerde ve sıcaklıkta benzer etkiler göstermektedir. Hatta bu iki etkileşim bu sıcaklıklarda (1015K) ayırt edilememektedir. Foton, W ve Z bozonlarıyla birlikte yüksek sıcaklıklarda zayıf etkileşim ile elektromanyetik etkileşimi birleştirmektedir. Bu duruma elektrozayıf etkileşim denmektedir. 

Bu etkileşimlerin oluşumunun Büyük Birleşim Kuramı’ndan (Grand Unified Theories (GUT) ) geldiği düşünülmektedir. Güçlü etkileşim ve elektrozayıf etkileşimi birleştiren etkileşim kuramlarıdır. Bu kuramlar süper-simetriye dayanmaktadır. Bu etkileşimin olması için gereken sıcaklık yaklaşık 1028 Kelvin’dir. Bir diğer şart ise; leptonları da kapsayan elektrozayıf etkileşim ile güçlü etkileşimi birleştirirken renklere sahip kuarkları leptonlara çevirmemizdir. Ancak bu şart süper-simetriye dayanan bu kuramları zorda bırakmaktadır, bunun sebebi güçlü etkileşimin sadece renkli parçacıklarla birlikte işlemesidir ve leptonların kuarklar gibi renkleri yoktur. Ancak kuarkları leptonlara çevirirken çok önemli bir kanun olan baryon korunumunu ihlal etmiş oluyoruz. Baryon sayısıyla lepton sayısının farkının korunması, kuarkların anti-leptonlara dönüşmesi ile mümkün. Tek bir kuarkın anti-leptona dönüşümü 1015 eV enerjiye tekabül etmektedir. Fizikçiler, bu enerjiyi de kütlesi 1015 eV olan değişim bozonu ile imkanlı olduğunu söylemektedirler. Teorik olan bu bozona da X-Bozon’u ismi konmuştur. 

Söylememiz gerekir ki, bu kuram henüz gözlemsel olarak kanıtlanmamıştır ancak her şeyin teorisine giden bir aşama olarak nitelendirilmektedir. Dikkat etmişsinizdir ki bu genişletilmiş etkileşimde kütleçekim yoktur. Kütleçekimin yasaları genel göreliliğe dayanmaktadır. Genel görelilik, kuantum mekaniği şu anki fizik bilgimizle henüz birbirlerini desteklememektedirler. Bu ikisini birleştirecek teori de her şeyin teorisi olacaktır ki bu da teorik fizik dünyasının peşinde koştuğu şeydir. Bu iki etkileşimi (GUT ve kütleçekimi) birleştirmeye adım olan kuantum kütleçekimi ise bu iki etkileşimi 1032K sıcaklıkta birleştirdiği tahmin edilmektedir.